CC BY
25
УДК 669.71:502.3 Сысоев Иван Алексеевич,
к. т. н., зам. начальника управления научной деятельности, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89025118587, e-mail: Iwansys@mail.ru Пинаев Андрей Александрович,
директор проекта «перевод алюминиевых заводов ОК РУСАЛ на экологически приемлемую технологию Содерберга», Инженерно-технологическая дирекция алюминиевого производства ООО «РУСАЛИТЦ»,
тел. 89059084424, e-mail: Andrey.Pinaev@rusal.com Николаев Виктор Николаевич, аспирант ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89246037884, e-mail: selengovchanin@mail.ru
АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЭВАКУАЦИИ ГАЗОВ
I. A. Sysoev, A. A Pinaev, V. N. Nikolaev
PROCESS FLOW DIAGRAMS AND AUTOMATED CONTROL OF PARAMETERS OF THE PROCESS OF EVACUATION OF GASES
Аннотация. В статье представлены результаты внедрения автоматизированных технических решений, обеспечивающих равномерность объемов эвакуации газов при производстве алюминия. Внедрение автоматизированных технических решений, рассмотренных в настоящей статье, обеспечивает автоматизированный контроль параметров процесса. Выравнивание объемов эвакуации газов и разрежений в «скоростной» газоходной сети достигается регулирующими устройствами (шиберами, поворотными заслонками). С помощью регулирующих устройств разность разрежений в горелках сокращена до 1,5-кратного значения; разница объемов не превышает 10-15 %. Суммарный объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки, немногим более 3 700 нм3/ч, что более чем в 2 раза ниже, чем в существующей газоходной сети. Температура в горелках 1400-1700 °С, что обеспечивает полный дожиг СО, бенз(а)пирена и других ПАУ. В результате достигается снижение капитальных вложений и эксплуатационных затрат системы эвакуации газов. Положительный эколого-экономический эффект использования автоматизированной системы эвакуации газов - сокращение выбросов вредных веществ и возврат в процесс электролиза ценных фтористых соединений.
Ключевые слова: моделирование, система газоотвода, электролизер, алюминиевая промышленность.
Abstract. The article presents the results of the implementation of automated technical solutions that provide uniformity of volumes evacuation of gases the production of aluminum. Introduction of automated technical solutions discussed in this article provides an automated control of process parameters. Alignment not gases evacuation volumes and vacuum in the "high-speed" network flue is achieved control devices (dampers, rotary dampers). As a result, thinning difference in burners reduced to 1.5-fold values; the difference volume does not exceed 10-15%. The total volume of atmospheric air drawn to the burner is, a little more than 3700 Nm 3/h, more than 2 times lower than in the flue of the existing network. The temperature in the burners nis 1400-1700 °C, which provides a full afterburning CO, benzopyren and other PAHs. The result is a reduction in capital investment and operating costs of the evacuation of gases. Positive ecological and economic benefits of using the automated system of evacuation of gas is reducing emissions and return to the process of electrolysis offluoride.
Keywords: modeling, gas extraction system, electrolysis cell, aluminum industry.
Введение
Система эвакуации газов от электролизеров с обожженными анодами включает в себя газоот-водящие патрубки от укрытия электролизера до диэлектрического разрыва с последующей их врезкой в магистральные газоходы переменного сечения, прокладываемые с наружной стороны корпусов. Применение сборного газохода с переменным сечением по ходу газа позволяет обеспечить необходимый объем газоотососа от каждого электролизера. Далее газы по магистральному поперечному газоходу поступают на газоочистные установки [1-4]. Прокладка поперечных магистральных газоходов от корпусов электролиза до блоков газоочистки осуществляется по эстакаде с учетом обеспечения габаритов транспортных средств. Аппаратурно-технологическая схема процесса эвакуации электролизных газов приведена на рис. 1.
Трассировка магистральных газоходов, прокладываемых в пределах корпусов электролиза алюминия, принята с учетом обеспечения условий по обслуживанию электролизеров технологическими машинами и мостовыми кранами [5-6].
Скорость транспортирования электролизных газов принимается в пределах 18-19 м/с с целью создания оптимального аэродинамического режима, исключающего возможность отложения на стенках газохода неорганической пыли и твердых фторидов [7-9].
Для обеспечения равномерного объема газоотсоса от укрытий электролизеров на каждом га-зоотводящем патрубке устанавливается дроссель-клапан с ручным управлением [10].
В связи с необходимостью создания разрежения в системах газоходов минимально допустимое статическое разряжение на газоотводящих
Информатика, вычислительная техника и управление
патрубках электролизеров для создания скорости потока не менее 18 м/с - 500 Па.
Необходим постоянный периодический контроль за герметичностью системы газоходов, поскольку наличие подсосов атмосферного воздуха приводит к неоптимальным режимам работы системы эвакуации газов.
Запыленность очищенных эвакуируемых газов после блоков ГОУ не должна превышать 0,01 г/м3 газа [11-13].
Под действием статического разрежения, создаваемого вентиляторами ВВР-22, электролизные газы от укрытий электролизеров через систему магистральных газоходов поступают на входные коллекторы блоков «сухой» газоочистки, далее после очистки выбрасываются в атмосферу через дымовые трубы диаметром 2,3 метра и высотой 60 метров. Характеристика вентиляторов ВВР-22 приведена в табл. 1.
Газоходный тракт от электролизеров до блоков «сухой» газоочистки оснащается замерными точками для инструментального контроля параметров при проведении пуско-наладочных работ [14].
Контроль параметров процесса
эвакуации газов
Для автоматического контроля параметров процесса эвакуации газов предусматривается
оснащение системы АСУТП «Газоочистка».
АСУТП «Газоочистка» обеспечивает повышение эффективности процесса, мониторинг состояния технологического режима и работы оборудования, повышение безопасности и облегчение труда обслуживающего персонала, хранение и представление информации, подготовку отчетных документов [15-19].
АСУТП представляет собой 3-х уровневую систему контроля и управления. Верхний уровень в виде автоматизированного рабочего места (АРМ) осуществляет непосредственную связь с котроллером среднего уровня (обеспечивает прием, обработку и передачу информации, автоматизированное управление процессом, ведение и анализ архивов, создание отчетных документов, решение задач по аварийной и предупредительной сигнализации, визуализацию протекания процесса). Средний уровень управления выполняет задачи сбора и предварительной обработки информации, а также автоматически регулирует и выводит управляющие сигналы на нижний уровень [20-24]. Нижний уровень технических средств автоматизации представляет собой первичные измерительные преобразователи, датчики, исполнительные механизмы.
Сборный
газоход
Укрытия'элен ров
Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема процесса эвакуации электролизных газов
Т а б л и ц а 1
Характеристика вентиляторов ВВР-22_
№ п/п Наименование показателя Единица измерения Параметры
1 Количество вентиляторов шт. 6
2 Производительность по очищаемому газу м3/час 180000-215000
3 Полное давление (разрежение) кПа 8,5-9,0
4 Тип электропривода ДАЗ04-560Х-6ДУ1
5 Мощность электропривода кВт 800,0
6 Частота вращения об/мин 1000,0
7 Напряжение питания кВ 10,0
тролизе-
Блок-
ГОУ
ВВР-22
Т а б л и ц а 2
Приборы контроля и измерения технологических параметров_
№ п/п Наименование и тип прибора Марка прибора Объект измерения, контроля
1 Преобразователи сопротивления с унифицированным токовым выходным сигналом ТСПУ Температура масла в масляной ванне вентиляторов, газов до и после ГОУ
2 Коррозионно-стойкие датчики разрежения Метран 49-ДВ Разрежение эвакуируемых газов до и после ГОУ, до вентиляторов
3 Коррозионно-стойкие датчики разрежения Метран 49-ДИВ Разрежение эвакуируемых газов после вентиляторов
4 Вибропреобразователи с выносной электроникой Каскад ВК312 Вибрация вентиляторов
5 Пылемеры ЕР1000А Запыленность газов после ГОУ
Карта контроля технологических параметров представлена в табл. 3.
Т а б л и ц а 3
Карта контроля технологических параметров _
№ п/п Наименование параметра Пределы варьирования Периодичность контроля
1 Разрежение на газоотводящем патрубке электролизера 500-800 Па Не реже 1 раза в месяц
2 Статическое разрежение перед ГОУ 2,0-2,3 кПа АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в месяц
3 Статическое разрежение после ГОУ 3,5-4,5 кПа АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в месяц
4 Скорость газа в системе газоходов 18-20 м/с Не реже 1 раза в месяц
5 Герметичность газоходов Отсутствие неплотностей Постоянно
6 Разность потенциалов на газоходах Отсутствие Не реже 1 раза в квартал
7 Отложения минеральных солей Отсутствие Не реже 1 раза в месяц
8 Запыленность газа после ГОУ Не более 0,01 г/м3 газа АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в квартал
9 Температура газа 100-135°С АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в месяц
10 Полное разрежение газа до вентиляторов ВВР-22 8,5-9,0 кПа АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в месяц
11 Полное давление газа после вентиляторов ВВР-22 8,5-9,0 кПа АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в месяц
12 Вибрация подшипников вентиляторов ВВР-22 Отсутствие АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в квартал
13 Перегрев подшипников вентиляторов ВВР-22 Отсутствие АСУТП - постоянно, инструментально - 1 раз в квартал
Информатика, вычислительная техника и управление
Автоматическому регулированию и контролю подлежат следующие технологические параметры:
Температура:
- эвакуируемых газов на входе в ГОУ;
- эвакуируемых газов на выходе из ГОУ;
- подшипников вентиляторов ВВР-22.
Уровень вибрации:
- подшипников вентиляторов ВВР-22.
Статическое давление (разрежение):
- эвакуируемых газов на входе в ГОУ;
- эвакуируемых газов на выходе из ГОУ;
- эвакуируемых газов перед вентиляторами ВВР-22;
- эвакуируемых газов после вентиляторов ВВР-22.
Токовая нагрузка:
- электроприводов вентиляторов ВВР-22.
Кроме того, предусматривается:
- автоматическое регулирование производительности вентиляторов по разрежению после ГОУ;
- световая и звуковая сигнализация при остановке одного из рабочих вентиляторов.
В качестве средств измерения и контроля технологических параметров процесса эвакуации газов применяются приборы [25-29], характеристика которых приведена в табл. 2.
Заключение
Внедрение технических решений, рассмотренных в настоящей статье, обеспечивает автоматизированный контроль параметров процесса эвакуации газов при производстве алюминия.
Выравнивание объемов эвакуации газов и разрежений в «скоростной» газоходной сети достигается регулирующими устройствами (шиберами, поворотными заслонками). С помощью регулирующих устройств разность разрежений в горелках сокращена до 1,5-кратного значения; разница объемов не превышает 10-15 %. Суммарный объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки, немногим более 3 700 нм3/ч, что более чем в 2 раза ниже, чем в существующей газоходной сети. Температура в горелках 1400-1700 °С, что обеспечивает полный дожиг СО, бенз(а)пирена и других ПАУ.
Таким образом, возможно снижение капитальных вложений и эксплуатационных затрат системы эвакуации газов.
Положительный эколого-экономический эффект использования автоматизированной системы эвакуации газов - сокращение выбросов
вредных веществ и возврат в процесс электролиза
ценных фтористых соединений [13; 30-38].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Способ переработки твердых фторуглеродсо-держащих отходов электролитического производства алюминия : пат. № 2429198 / Афанасьев А.Д., Ржечицкий А.Э., Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Паньков С.Д., Иванов Н.А. Опубл. 20.09.2011.
2. Управление концентрацией глинозема в электролите при производстве алюминия / В.А. Ершов и др. // Металлург. 2011. № 11. С. 96-101.
3. Теория и практика прикладной гидроаэромеханики в обогащении полезных ископаемых и металлургии / К.Л. Ястребов и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2015. 350с.
4. Утилизация фторсодержащих отходов алюминиевых заводов путем внедрения технологии получения низкомодульного регенерационного криолита / С.А. Соболев и др. // Экология и промышленность России. 2009. № 5. С. 38-42.
5. Промышленные испытания опытных электролизеров с обожженными анодами при повышении силы тока с 300 до 330 КА / Ю.В. Богданов и др. // Цветные металлы. 2009. № 2. С. 47-50.
6. Исследование и разработка комплексной технологии утилизации твердых фторуглеродсо-держащих отходов алюминиевого производства : дис. ... канд. техн. наук / В.В. Кондратьев. Иркутск, 2007. 164 с.
7. Шахрай С.Г., Кондратьев В.В., Белянин А.В. Энерго- и ресурсосбережение в производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2014. 146 с.
8. Исследования и разработка рецептуры наномо-дифицированного чугуна для ниппелей анодов алюминиевых электролизеров / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. 2012. № 1. С. 69-71.
9. Новые технологические решения по переработке отходов кремниевого и алюминиевого производств / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. 2013. № 5. С. 92-95.
10.Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В. Экологическая и экономическая эффективность переработки растворов газоочистки и фторуглеродсо-держащих отходов производства алюминия // Экология и промышленность России. 2011. № 8. С. 28-31.
11.Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В. Регенерация фтористых соединений на алюминиевых заводах // Вестник ИрГТУ. 2011. № 2 (49). С. 158163.
12. Кондратьев В.В., Ржечицкий Э.П. Пути решения проблемы отложений в аппаратах глиноземного производства // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 120-125.
13. Охлаждение анодных газов алюминиевых электролизеров в теплообменниках нагрева глинозема / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. 2015. № 2. С. 29-32.
14. Дошлов О.И., Кондратьев В.В., Угапьев А.А. Применение тяжелой смолы пиролиза в качестве компонента связующего для производства анодной массы // Металлург. 2015. № 5. С. 72-77.
15. Предварительный нагрев обожженного анода / В.В. Кондратьев и др. // Цветные металлы. 2015. № 1 (865). С. 54-56.
16. Компаундирование как перспективная технология производства альтернативных связующих материалов для производства анодной массы /
B.В. Кондратьев и др. // Кокс и химия. 2015. № 1. С. 34-41.
17.Повышение энергетической эффективности производства алюминия снижением газонапы-ленности электролита / В.В. Кондратьев и др. // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1 (25).
C. 103-107.
18.Повышение эффективности газоулавливания в рабочей зоне электролизеров с предварительно обожженными анодами с силой тока свыше 300 КА / В.В. Кондратьев и др. // Экология и промышленность России. 2012. № 7. С. 8-11.
19. Исследование влияния технологических факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия / И.А. Сысоев и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 2. С. 193198.
20. Кондратьев В.В., Афанасьев А.Д., Богданов Ю.В. Изучение термической регенерации фтора из угольной пены (отхода алюминиевого производства) // Цветные металлы. 2011. № 7. С.36-38.
21.Наночастицы углерода в отходах производства алюминия и их модифицирующие свойства / А.Д. Афанасьев // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4. С. 13-17.
22. Теория и практика процессов флотационного обогащения наноразмерных сред / В.В. Кондратьев и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 160 с.
23. Кондратьев В.В., Шахрай С.Г. Исследования и разработка предложений по оптимизации аэродинамических параметров систем газоудаления от электролизеров Кандалакшского и Богословского алюминиевых заводов // Вестник ИрГТУ. 2011. № 6. С. 91-98.
24.Технологические решения по энергосбережению и снижению капиталоемкости систем газоудаления и газоочистки алюминиевых производств / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. №9. 2013. С. 27-30.
25.Перспективы применения нанотехнологий и наноматериалов в горно-металлургической промышленности / В.В. Кондратьев и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1. С 168-174.
26.Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Шахрай С.Г. Сульфат натрия при производстве алюминия: проблемы и перспективы // Вестник ИрГТУ. 2011. № 8. С. 148-154.
27.Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Тенигин А.Ю. Технологические решения по охране окружающей среды при производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. 159 с.
28.Извлечение наночастиц углерода из фторированного глинозема при производстве алюминия / В.В. Кондратьев и др. // Металлург. 2012. № 12. С. 74-78.
29.Шахрай С.Г., Коростовенко В.В., Ребрик И.И. Совершенствование систем колокольного газоотсоса на мощных электролизерах Содерберга // Красноярск : ИПК СФУ, 2010. 146 с.
30.Технико-экологические и правовые аспекты производства алюминия / В.В. Кондратьев и др. СПб. : Изд-во МАНЭБ, 2011. 224 с.
31.Влияние коэффициентов фильтрации на достоверность прогноза изменения напряжения алюминиевого электролизера / В.А. Ершов и др. // Вестник ИрГТУ. 2010. № 5 (45). С. 184-187.
32.Способ определения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве : пат. 2467095 Рос. Федерация. № 2011118778/02 ; заявл. 10.05.2011 ; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32. 10 с.
33. Исследование и разработка технологии получения алюминия с применением глинозема из боксита Средне-Тиманского месторождения : дис. ... канд. техн. наук / В.А. Ершов. Иркутск, 2008.
34.Определение эффективности работы алюминиевых электролизеров при использовании укрупненного глинозема марки Г-00К / Н.В. Евсеев и др. // Цветные металлы. 2006. № 12. С.51-54.
35.Радионов Е.Ю., Ершов В.А. Особенности магнитной гидродинамики электролизёров ОА-300 5-ой серии иркутского алюминиевого завода // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4 (40). С. 210-213.
36.Ершов В.А. Автоматическая подача глинозема на электролизерах с боковым токопроводом // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). С.99-102.
Информатика, вычислительная техника и управление
37. Производство алюминия и сплавов на его основе: справочник металлурга / Б.И. Зельберг и др. Иркутск : Издательство ИрГТУ. 2015. 764 с.
38.Наноструктуры и алюминиевая промышленность / В.В. Кондратьев и др. // Вестник ИрГТУ. 2015. № 8.С. 77-85.
УДК 519.362.50
Сизых Виктор Николаевич,
д. т. н., профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: sizykh_vn@mail.ru Данеев Алексей Васильевич, д. т. н., профессор кафедры «Информационные системы и защита информации», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: daneev@mail.ru Палатов Дмитрий Андреевич, аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения
МЕТОДОЛОГИЯ ПРИБЛИЖЕННО- ОПТИМАЛЬНОГО СИНТЕЗА НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ПО СХЕМЕ УЛУЧШЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ
V. N. Sizykh, A V. Daneev, D. A Palatov
THE METHODOLOGY OF APPROXIMATELY OPTIMAL SYNTHESIS OF FUZZY CONTROLLERS ACCORDING TO THE CIRCUIT OF IMPROVEMENTS
AND LOCALIZATION
Аннотация. На основе системного подхода изложены материалы по аналитическому конструированию параметрически самоорганизующихся, линейных и нелинейных интегрированных систем автоматического управления (САУ) реального (ускоренного) масштаба времени, основанный на совместном использовании технологий динамического программирования, методов квазилинеаризации и продолжения по параметру. Для непрерывных динамических систем приведены основные положения теории нелинейного синтеза в вырожденной (синергетической) формулировке. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение интегрированной системы автоматического управления, стратифицированное по уровням управления воздушным судном (информационный, траекторный и пилотажный уровни). Работоспособность алгоритмов нелинейного синтеза проверена на ряде тестовых примеров и на модельных задачах динамики перспективных автоматизированных систем предупреждения столкновений и преодоления сдвига ветра при заходе на посадку самолета среднего класса.
Ключевые слова: непрерывная динамическая система, управление, приближенно-оптимальный синтез, квазилинеаризация, динамическое программирование, метод продолжения по параметру.
Abstract. The paper presents a systematic approach to the analytical parametric design of self-organizing, linear and nonlinear integrated automatic control systems (ACS) with real (fast) time scale, based on combined use of dynamic programming techniques, methods of quasilinearization and parameter continuation. For continuous dynamical systems basics of theory of nonlinear synthesis in a degenerate (synergistic) formulation are given.
Keywords: continuous dynamic system, control, approximately optimal synthesis, quasilinearization, dynamic programming, method of parameter continuation.
Введение
Подход к проблеме синтеза обыкновенных динамических систем, ориентированный на принцип оптимального управления (ОУ) в реальном (ускоренном) времени, был предложен в начале 70-х годов В. С. Шендриком (по инициативе Б. Н. Петрова) и развит А. А. Красовским и его учениками [1]. Наибольший вклад в развитие данного направления теории ОУ внес В. Н. Буков [2]. В начале 90-х принцип управления в реальном времени был «переоткрыт» Р. Габасовым и Ф. М. Кирилловой и успешно развивается в белорусской школе математиков [3].
Известно, что на традиционные алгоритмы последовательных улучшений накладываются достаточно жесткие условия по сходимости и выбору начальных приближений. На пути использования только достаточных условий оптимальности
или теории квазилинеаризации простых и надежных (гарантирующих поточечную сходимость) методов, как отмечалось еще Р. Беллманом [4], создать не удалось. Для преодоления этих трудностей в работе [5] приведена двухметодная технология, основанная на сочетании метода квазилинеаризации с достаточными условиями оптимальности Беллмана - Кротова. Предлагается применить квазилинеаризацию для локальной оптимизации в окрестности точек стационарности, а достаточные условия оптимальности - для интервальной оптимизации. Основная идея двухметодной технологии - за счет интервальной оптимизации осуществлять грубый поиск начального приближения по достаточным условиям, а затем итерационным путем уточнять полученное приближение по условиям локальной оптимальности: стационарности или в форме принципа минимума.
